Fotonski kristal. Elektrokemija fotonskih kristala od jednostavnih do fotonskih kristala
Klasifikacija metoda za proizvodnju fotonskih kristala. Fotonski kristali u prirodi su rijetkost. Odlikuju se posebnom iridescentnom igrom svjetlosti - optičkim fenomenom koji se naziva irizacija (u prijevodu s grčkog - duga). Ovi minerali uključuju kalcit, labradorit i opal SiO 2 ×n∙H 2 O s različitim uključcima. Najpoznatiji među njima je opal - poludragi mineral, koji je koloidni kristal koji se sastoji od monodisperznih sferičnih kuglica silicijevog oksida. Iz igre svjetlosti u potonjem dolazi i pojam opalescencija, koji označava posebnu vrstu raspršenja zračenja karakterističnu samo za ovaj kristal.
Glavne metode za proizvodnju fotonskih kristala uključuju metode koje se mogu podijeliti u tri skupine:
1. Metode koje koriste spontano stvaranje fotonskih kristala. Ova skupina metoda koristi koloidne čestice kao što su monodisperzne čestice silikona ili polistirena, kao i druge materijale. Takve čestice, koje se nalaze u tekućoj pari tijekom isparavanja, talože se u određenom volumenu. Kako se čestice talože jedna na drugu, one tvore trodimenzionalni fotonski kristal, a raspoređene su uglavnom u lice-centriranu ili heksagonalnu kristalnu rešetku. Moguća je i metoda saća koja se temelji na filtriranju tekućine u kojoj se nalaze čestice kroz male spore. Iako metoda saća omogućuje stvaranje kristala relativno velikom brzinom, određenom brzinom protoka tekućine kroz pore, međutim, defekti se stvaraju u takvim kristalima nakon sušenja. Postoje i druge metode koje koriste spontano stvaranje fotonskih kristala, ali svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke. Najčešće se ove metode koriste za taloženje sferičnih koloidnih silikonskih čestica, međutim, rezultirajući kontrast indeksa loma je relativno mali.
2. Metode koje koriste jetkanje predmeta. Ova skupina metoda koristi masku fotorezista formiranu na površini poluvodiča, koja definira geometriju područja jetkanja. Korištenjem takve maske, najjednostavniji fotonski kristal nastaje jetkanjem površine poluvodiča koji nije prekriven fotorezistom. Nedostatak ove metode je potreba za korištenjem fotolitografije visoke razlučivosti na razini desetaka i stotina nanometara. Također, snopovi fokusiranih iona, kao što je Ga, koriste se za izradu fotonskih kristala jetkanjem. Takve ionske zrake omogućuju uklanjanje dijela materijala bez upotrebe fotolitografije i dodatnog jetkanja. Za povećanje brzine jetkanja i poboljšanje njegove kvalitete, kao i za taloženje materijala unutar jetkanih područja, koristi se dodatna obrada potrebnim plinovima.
3. Holografske metode. Takve se metode temelje na primjeni principa holografije. Uz pomoć holografije formiraju se periodične promjene indeksa loma u prostornim smjerovima. Da biste to učinili, koristite interferenciju dvaju ili više koherentnih valova, što stvara periodičnu raspodjelu intenziteta elektromagnetskog zračenja. Jednodimenzionalni fotonski kristali nastaju interferencijom dvaju valova. Dvodimenzionalni i trodimenzionalni fotonski kristali nastaju interferencijom tri ili više valova.
Odabir pojedine metode za izradu fotonskih kristala uvelike je određen činjenicom koje dimenzije konstrukcije treba izraditi - jednodimenzionalne, dvodimenzionalne ili trodimenzionalne.
Jednodimenzionalne periodične strukture. Najjednostavniji i najčešći način za dobivanje jednodimenzionalnih periodičnih struktura je vakuumsko taloženje sloj-po-sloj polikristalnih filmova od dielektričnih ili poluvodičkih materijala. Ova metoda je postala široko rasprostranjena u vezi s korištenjem periodičnih struktura u proizvodnji laserskih zrcala i interferencijskih filtara. U takvim strukturama, kada se koriste materijali s indeksima loma koji se razlikuju za oko 2 puta (na primjer, ZnSe i Na 3 AlF 6), moguće je stvoriti spektralne refleksijske trake (fotonske praznine) širine do 300 nm, pokrivajući gotovo cijelom vidljivom području spektra.
Napredak u sintezi poluvodičkih heterostruktura u posljednjim desetljećima omogućuje stvaranje potpuno monokristalnih struktura s periodičnom promjenom indeksa loma duž smjera rasta pomoću epitaksije molekularnim snopom ili taloženja iz pare pomoću organometalnih spojeva. Trenutno su takve strukture dio poluvodičkih lasera s okomitim šupljinama. Maksimalni trenutno ostvarivi omjer indeksa loma materijala, očito, odgovara paru GaAs/Al 2 O 3 i iznosi oko 2. Treba napomenuti visoku savršenost kristalne strukture takvih zrcala i točnost oblikovanja debljina sloja na razini jedne periode rešetke (oko 0,5 nm).
Nedavno je demonstrirana mogućnost stvaranja periodičnih jednodimenzionalnih poluvodičkih struktura pomoću fotolitografske maske i selektivnog jetkanja. Kod jetkanja silicija moguće je stvoriti strukture s periodom reda veličine 1 μm ili više, dok je omjer indeksa loma silicija i zraka 3,4 u bliskom infracrvenom području, što je neviđeno visoka vrijednost nedostižna drugim metodama sinteze . Primjer slične strukture dobiven na Fizičko-tehničkom institutu. A. F. Ioffe RAS (St. Petersburg), prikazan je na sl. 3.96.
Riža. 3.96. Periodična struktura silicij-zrak dobivena anizotropnim jetkanjem pomoću fotolitografske maske (period strukture 8 µm)
Dvodimenzionalne periodične strukture. Dvodimenzionalne periodične strukture mogu se proizvesti selektivnim jetkanjem poluvodiča, metala i dielektrika. Tehnologija selektivnog jetkanja razvijena je za silicij i aluminij zbog široke primjene ovih materijala u mikroelektronici. Porozni silicij, primjerice, smatra se obećavajućim optičkim materijalom koji će omogućiti stvaranje integriranih optoelektroničkih sustava s visokim stupnjem integracije. Kombinacija naprednih silicijskih tehnologija s kvantnim efektima veličine i principima formiranja fotonskih zazora dovela je do razvoja novog pravca - silicijske fotonike.
Korištenje submikronske litografije za formiranje maski omogućuje stvaranje silikonskih struktura s periodom od 300 nm ili manje. Zbog jake apsorpcije vidljivog zračenja, fotonski kristali silicija mogu se koristiti samo u bliskom i srednjem infracrvenom području spektra. Kombinacija jetkanja i oksidacije, u načelu, omogućuje prelazak na periodične strukture silicijev oksid-zrak, ali u isto vrijeme, nizak omjer indeksa loma (komponenta 1,45) ne dopušta stvaranje punog zazora u dvije dimenzije.
Dvodimenzionalne periodičke strukture A 3 B 5 poluvodičkih spojeva, koje se također dobivaju selektivnim jetkanjem pomoću litografskih maski ili šablona, čine se obećavajućim. Spojevi A 3 B 5 glavni su materijali moderne optoelektronike. Spojevi InP i GaAs imaju veći razmak pojasa od silicija i iste visoke vrijednosti indeksa loma kao silicij, jednake 3,55 odnosno 3,6.
Vrlo su zanimljive periodičke strukture na bazi aluminijevog oksida (sl. 3.97a). Dobivaju se elektrokemijskim jetkanjem metalnog aluminija na čijoj se površini litografijom oblikuje maska. Korištenjem elektronskih litografskih šablona dobivene su savršene dvodimenzionalne periodične strukture nalik na saće s promjerom pora manjim od 100 nm. Treba napomenuti da selektivno jetkanje aluminija pod određenom kombinacijom uvjeta jetkanja omogućuje dobivanje pravilnih struktura čak i bez upotrebe bilo kakvih maski ili šablona (slika 3.97b). U tom slučaju promjer pora može biti samo nekoliko nanometara, što je nedostižno za suvremene litografske metode. Periodičnost pora povezana je sa samoregulacijom procesa oksidacije aluminija tijekom elektrokemijske reakcije. Početni vodljivi materijal (aluminij) tijekom reakcije oksidira se u Al 2 O 3 . Film aluminijevog oksida, koji je dielektrik, smanjuje struju i usporava reakciju. Kombinacija ovih procesa omogućuje postizanje samoodrživog načina reakcije, u kojem je kontinuirano jetkanje omogućeno prolaskom struje kroz pore, a proizvod reakcije tvori pravilnu strukturu saća. Određene nepravilnosti pora (Sl. 3.97b) posljedica su granularne strukture izvornog polikristalnog aluminijskog filma.
Riža. 3.97. Dvodimenzionalni fotonski kristal Al 2 O 3: a) izrađen pomoću litografske maske; b) napravljen uz pomoć samoregulacije procesa oksidacije
Studija optičkih svojstava nanoporoznog aluminijevog oksida pokazala je neobično visoku prozirnost ovog materijala duž smjera pora. Odsutnost Fresnelove refleksije, koja neizbježno postoji na sučelju između dva kontinuirana medija, dovodi do vrijednosti prijenosa koje dosežu 98%. U smjerovima okomitim na pore opaža se visoka refleksija s koeficijentom refleksije koji ovisi o kutu upada.
Relativno niske vrijednosti permitivnosti aluminijevog oksida, za razliku od silicija, galijevog arsenida i indijevog fosfida, ne dopuštaju stvaranje punopravnog zazora u dvije dimenzije. Međutim, unatoč tome, optička svojstva poroznog aluminijevog oksida su prilično zanimljiva. Na primjer, ima izraženo anizotropno raspršenje svjetlosti, kao i dvolom, što mu omogućuje da se koristi za rotaciju ravnine polarizacije. Različitim kemijskim metodama moguće je ispuniti pore raznim oksidima, ali i optički aktivnim materijalima, kao što su nelinearni optički mediji, organski i anorganski luminofori te elektroluminiscentni spojevi.
Trodimenzionalne periodične strukture. Trodimenzionalne periodične strukture su objekti koji imaju najveće tehnološke poteškoće za eksperimentalnu implementaciju. Povijesno, prvim načinom stvaranja trodimenzionalnog fotonskog kristala smatra se metoda koja se temelji na mehaničkom bušenju cilindričnih rupa u volumenu materijala, koju je predložio E. Yablonovich. Izrada takve trodimenzionalne periodične strukture prilično je naporan zadatak, stoga su mnogi istraživači pokušali stvoriti fotonski kristal drugim metodama. Tako se u Lin-Flemingovoj metodi na silicijsku podlogu nanosi sloj silicijevog dioksida u kojem se zatim formiraju paralelne trake ispunjene polikristalnim silicijem. Dalje se ponavlja postupak nanošenja silicijevog dioksida, ali se trake formiraju u okomitom smjeru. Nakon stvaranja potrebnog broja slojeva, silicijev oksid se uklanja jetkanjem. Kao rezultat toga, formira se "hrpa drveta" od polisilikonskih šipki (slika 3.98). Treba napomenuti da korištenje suvremenih metoda submikronske elektronske litografije i anizotropnog ionskog jetkanja omogućuje dobivanje fotonskih kristala debljine manje od 10 strukturnih ćelija.
Riža. 3.98. 3D fotonska struktura od polisilikonskih štapića
Metode za stvaranje fotonskih kristala za vidljivo područje, koje se temelje na korištenju samoorganizirajućih struktura, postale su široko rasprostranjene. Sama ideja "sastavljanja" fotonskih kristala iz globula (kuglica) posuđena je iz prirode. Poznato je, na primjer, da prirodni opali imaju svojstva fotonskih kristala. Po svom kemijskom sastavu prirodni mineral opal je hidrogel silicijevog dioksida SiO 2 × H 2 O s promjenjivim sadržajem vode: SiO 2 - 65 - 90 mas. %; H2O - 4,5-20%; Al 2 O 3 - do 9%; Fe 2 O 3 - do 3%; TiO 2 - do 5%. Elektronskom mikroskopijom utvrđeno je da prirodne opale tvore zbijeno zbijene kuglaste čestice α-SiO 2 , ujednačene veličine, promjera 150-450 nm. Svaka se čestica sastoji od manjih kuglastih tvorevina promjera 5–50 nm. Praznine pakiranja globula ispunjene su amorfnim silicijevim oksidom. Na intenzitet difraktirane svjetlosti utječu dva čimbenika: prvi je "idealno" gusto pakiranje globula, drugi je razlika u indeksima loma amorfnog i kristalnog oksida SiO 2 . Plemeniti crni opali imaju najbolju igru svjetla (za njih je razlika u vrijednostima indeksa loma ~ 0,02).
Globularne fotonske kristale moguće je stvoriti od koloidnih čestica na različite načine: prirodnom sedimentacijom (taloženjem disperzne faze u tekućini ili plinu pod djelovanjem gravitacijskog polja ili centrifugalnih sila), centrifugiranjem, filtracijom pomoću membrana, elektroforezom itd. Sferne čestice djeluju kao koloidne čestice polistirena, polimetil metakrilata, čestice silicijevog dioksida α-SiO 2 .
Metoda prirodnog taloženja vrlo je spor proces koji zahtijeva nekoliko tjedana ili čak mjeseci. Centrifugiranje u velikoj mjeri ubrzava proces stvaranja koloidnih kristala, ali materijali dobiveni na ovaj način su manje uređeni, jer pri visokoj stopi taloženja nema vremena za odvajanje čestica po veličini. Za ubrzanje procesa taloženja koristi se elektroforeza: stvara se okomito električno polje koje "mijenja" gravitaciju čestica ovisno o njihovoj veličini. Koriste se i metode koje se temelje na korištenju kapilarnih sila. Glavna ideja je da pod djelovanjem kapilarnih sila dolazi do kristalizacije na granici meniskusa između vertikalne podloge i suspenzije, a kako otapalo isparava, nastaje fina uređena struktura. Dodatno, koristi se vertikalni temperaturni gradijent, koji omogućuje bolju optimizaciju brzine procesa i kvalitete stvorenog kristala zbog konvekcijskih struja. Općenito, izbor tehnike određen je zahtjevima za kvalitetom dobivenih kristala i vremenom utrošenim na njihovu proizvodnju.
Tehnološki proces uzgoja sintetičkih opala prirodnom sedimentacijom može se podijeliti u nekoliko faza. U početku se priprema monodisperzna (~5% odstupanja u promjeru) suspenzija sferičnih globula silicijevog oksida. Prosječni promjer čestica može varirati u širokom rasponu: od 200 do 1000 nm. Najpoznatija metoda dobivanja monodisperznih koloidnih mikročestica silicijevog dioksida temelji se na hidrolizi tetraetoksisilana Si(C 2 H 4 OH) 4 u vodeno-alkoholnom mediju uz prisutnost amonijevog hidroksida kao katalizatora. Ovom se metodom mogu dobiti čestice s glatkom površinom gotovo idealnog sfernog oblika s visokim stupnjem monodisperznosti (manje od 3% odstupanja u promjeru), kao i za stvaranje čestica veličine manje od 200 nm s uskom raspodjelom veličina. . Unutarnja struktura takvih čestica je fraktalna: čestice se sastoje od tijesno zbijenih manjih kuglica (promjera nekoliko desetaka nanometara), a svaku takvu kuglicu čine silicijevi polihidrokso kompleksi koji se sastoje od 10-100 atoma.
Sljedeća faza je taloženje čestica (sl. 3.99). Može trajati nekoliko mjeseci. Nakon završetka koraka taloženja, formira se periodična struktura tijesnog pakiranja. Zatim se talog suši i žari na temperaturi od oko 600 ºS. Tijekom žarenja kuglice omekšavaju i deformiraju se na mjestima kontakta. Kao rezultat toga, poroznost sintetičkih opala manja je nego kod idealnog gustog sferičnog pakiranja. Okomito na smjer osi rasta fotonskog kristala, globule tvore visoko uređene heksagonalne tijesno pakirane slojeve.
Riža. 3.99. Faze uzgoja sintetskih opala: a) taloženje čestica;
b) sušenje taloga; c) žarenje uzorka
Na sl. 3.100a prikazuje mikrograf sintetskog opala dobivenog skenirajućom elektronskom mikroskopijom. Dimenzije kuglica su 855 nm. Prisutnost otvorene poroznosti u sintetičkim opalima omogućuje ispunjavanje praznina različitim materijalima. Opalne matrice su trodimenzionalne podrešetke međusobno povezanih pora nano veličine. Veličine pora su reda veličine stotina nanometara, a veličine kanala koji povezuju pore dosežu desetke nanometara. Na taj način se dobivaju nanokompoziti na bazi fotonskih kristala. Glavni zahtjev koji se postavlja pri stvaranju visokokvalitetnih nanokompozita je potpuna popunjenost nanoporoznog prostora. Punjenje se provodi različitim metodama: uvođenje iz otopine u talini; impregnacija koncentriranim otopinama nakon čega slijedi isparavanje otapala; elektrokemijske metode, kemijsko taloženje iz pare itd.
Riža. 3.100. Mikrografije fotonskih kristala: a) od sintetskog opala;
b) od polistirenskih mikrosfera
Selektivno jetkanje silicijevog oksida iz takvih kompozita rezultira stvaranjem prostorno uređenih nanostruktura visoke poroznosti (više od 74% volumena), koje se nazivaju obrnuti ili invertirani opali. Ova metoda dobivanja fotonskih kristala naziva se templatna metoda. Kao uređene monodisperzne koloidne čestice koje tvore fotonski kristal mogu djelovati ne samo čestice silicijevog oksida, već i npr. polimerne. Primjer fotonskog kristala na bazi polistirenskih mikrosfera prikazan je na sl. 3.100b
Pokazano je da, ovisno o polaritetu uključivanja fotodioda u rezonatoru, dolazi do pomaka frekvencije odziva gore ili dolje u frekvenciji s povećanjem osvjetljenja. Predlaže se korištenje sustava spojenih prstenastih rezonatora za povećanje osjetljivosti proučavanih rezonatora na vrijednost osvjetljenja. Pokazano je da za fiksnu udaljenost između spojenih rezonatora dolazi do frekvencijskog cijepanja odziva sustava na parne (svijetle) i neparne (tamne) modove uz pomoć svjetla. Uvjereni smo da će predložena metoda za stvaranje podesivih prstenastih rezonatora omogućiti stvaranje nove klase svjetlosno kontroliranih metamaterijala.
Ovaj rad poduprlo je Ministarstvo obrazovanja Ruske Federacije (sporazumi br. 14.V37.21.1176 i br. 14.V37.21.1283), Zaklada Dinastija, Zaklada RFBR (projekt br. 13-02-00411), i Stipendija predsjednika Ruske Federacije za mlade znanstvenike i diplomirane studente 2012. godine.
Književnost
1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetski odgovor metamaterijala na 100 teraherca // Science. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.
2. Shelby R., Smith D.R. i Schultz S. Eksperimentalna verifikacija negativnog indeksa refrakcije // Science. - 2001. - V. 292. - P. 77-79.
3. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.
4. Belov P.A., Hao Y. Slika podvalne duljine na optičkim frekvencijama korištenjem prijenosnog uređaja formiranog periodičnom slojevitom metal-dielektričnom strukturom koja radi u režimu kanaliziranja // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.
5. Leonhardti U. Optičko konformno preslikavanje // Science. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.
6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Podesivi i nelinearni metamaterijali // Znanstveno-tehnički glasnik informacijskih tehnologija, mehanike i optike. - 2012. - Broj 3 (79). - C. 1-10.
7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. i Kivshar Yu.S. Podesivi rezonatori s podijeljenim prstenom za nelinearne metamaterijale s negativnim indeksom // Opt. izraziti. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.
8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Shadrivov I.V., Vorošilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. i Kivshar Y.S. Upravljanje rezonatorima s podijeljenim prstenom svjetlom // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).
9. Marques R., Martin F. i Sorolla M. Metamaterijali s negativnim parametrima: teorija, dizajn i mikrovalne primjene. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 str.
Kapitonova Polina Vjačeslavovna - Nacionalno istraživačko sveučilište u Sankt Peterburgu
Informacijske tehnologije, mehanike i optike, kandidat tehničkih znanosti, istraživač, [e-mail zaštićen], [e-mail zaštićen]
Belov Pavel Aleksandrovič - Nacionalno istraživačko sveučilište u Sankt Peterburgu
Informatika, mehanika i optika, doktorica fiz.-mat. znanosti, glavni istraživač, [e-mail zaštićen]
ANALIZA POJASNE STRUKTURE FOTONSKOG KRISTALA S VIŠE OPTIČKIH DULJINA SLOJEVA ZA TERAHERCOVO PODRUČJE
OH. Denisultanov, M.K. Khodzitsky
Iz disperzijske jednadžbe za beskonačni fotonski kristal izvedene su formule za točan izračun granica zabranjenog pojasa, širine zabranjenog pojasa i točnog položaja središta zabranjenog pojasa fotonskih kristala s više duljina optičkog sloja u dvoslojnom ćeliju za frekvencijski raspon teraherca od 0,1 do 1 THz. Formule su provjerene u numeričkoj simulaciji fotonskih kristala metodom prijenosne matrice i metodom konačne razlike vremenske domene za prvi, drugi i treći višestrukost optičke duljine u dvoslojnoj ćeliji fotonskog kristala. Formule za drugu množinu potvrđene su eksperimentalno. Ključne riječi: fotonski kristal, zabranjeni pojas, granične frekvencije, više optičkih duljina, prijenosna matrica, metamaterijal.
Uvod
Posljednjih godina proučavanje umjetnih medija neobičnih svojstava („metamaterijala“) zaokuplja interes prilično velikog kruga znanstvenika i inženjera, što je posljedica obećavajuće uporabe ovih medija u industrijskoj i vojnoj industriji u razvoju novih vrsta filtara, faznih mjenjača, superleća, maskirnih premaza itd. .d. . Jedna od vrsta metamaterijala je fotonski kristal, koji je slojevita struktura s periodičnim
ski promjenjiv indeks loma. Fotonski kristali (PC) aktivno se koriste u laserskim tehnologijama, sredstvima komunikacije, filtriranju, zbog takvih jedinstvenih svojstava kao što su prisutnost trake u spektru, superrezolucija, efekt superprizme itd. . Od posebnog je interesa proučavanje fotonskih kristala u području teraherca (THz) za spektroskopske, tomografske studije novih vrsta materijala i bioloških objekata. Istraživači su već razvili dvodimenzionalni i trodimenzionalni PC za THz frekvencijski raspon i proučavali njihove karakteristike, ali, nažalost, trenutno ne postoje točne formule za izračun karakteristika vrpčne strukture fotonskog kristala, kao što je pojasni razmak, centar zazora, granice zazora. Svrha ovog rada je dobiti formule za izračun karakteristika jednodimenzionalnog fotonskog kristala za prvu, drugu i treću višestrukost optičke duljine u dvoslojnoj PC ćeliji te verificirati te formule pomoću numeričke simulacije korištenjem prijenosne matrice. metoda i metoda konačnih razlika u vremenskoj domeni, kao i eksperiment u frekvencijskom području THz.
Analitičko i numeričko modeliranje
Promotrimo beskonačni fotonski kristal s indeksima loma slojeva u dvoslojnoj ćeliji n1 i n2 i debljinama slojeva d1, odnosno d2. Ova struktura je pobuđena linearno polariziranim transverzalnim električnim valom (TE val). Valni vektor k usmjeren je okomito na PC slojeve (slika 1). Jednadžba disperzije za takav PC, dobivena pomoću Floquetovog teorema i uvjeta kontinuiteta za komponente tangencijalnog polja na granici sloja, ima sljedeći oblik:
C08 [kv (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)
s bt [kg e1] x bt [kg e2
gdje je q Blochov valni broj; k^ =
da li refrakcija; d1, d2 - debljine slojeva.
2 l x / x p1
; / - frekvencija; pg, p2 - indikator
Riža. 1. Slojevito-periodična struktura koja se razmatra
L. i L 1! ja x. ] l!/l Ogulite! ja "
i " i | G ¡4 1 ! 1) 1 1 N V i | 1 U " 11
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Frekvencija / THz
Riža. 2. Frekvencijska disperzija kompleksnog Blochovog valnog broja
Disperzija kompleksnog Blochovog valnog broja dobivena pomoću jednadžbe (1) prikazana je na slici. 2. Kao što se može vidjeti sa sl. 2, na granicama razmaka pojasa, argument kosinusa q(d1 + d2) će poprimiti vrijednosti ili 0 ili n. Stoga, na temelju ovog uvjeta, možemo izračunati
za određivanje vrijednosti graničnih frekvencija, zazora i centara zazora fotonskog kristala. Međutim, za fotonski kristal s ne-višestrukim optičkim duljinama slojeva unutar dvoslojne ćelije, ove se formule mogu dobiti samo u implicitnom obliku. Za dobivanje eksplicitnih formula potrebno je koristiti više optičkih duljina: nxx = n2e2; pyoh = 2hp2ë2; pyoh = 3xn2ë2... . U radu su razmatrane formule za 1., 2. i 3. višestrukost.
Za fotonski kristal prve množine (nxx = n2d2), formule za granične frekvencije, širine
razmak između pojaseva i središte razmaka između pojaseva imaju sljedeći oblik:
(/n 1 L (/n "i 1 L
0,256-1,5. „arcso81---I + 2lt
a/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /pz =
/ 2a; /2 = i(t +1)
0,256-1,5. „, 1H -arsco81 ----- | + 2n(t +1)
gdje /1 i /2 - niskofrekventne i visokofrekventne granice zabranjene zone, redom; A/ - zabranjeni pojas; /33 je središte zabranjene zone; c je brzina svjetlosti; / - centar dopuštenog
o n n2 zona 6 = - + -;
Za PC s parametrima sloja nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 um; e2 = 1084 μm za drugi zabranjeni pojas u području 0,1-1 THz, vrijede sljedeći parametri strukture pojasa: /1 = 0,1332 THz; /2 = 0,1541 THz; A/ = 0,0209 THz; /zz = 0,1437 THz.
Za PC, čije su optičke duljine slojeva povezane jednakošću nxx = 2n2d2, dobivaju se sljedeće formule za parametre vrpčne strukture:
4 + v + U v2-4 6 + 3v-4v2 -4
4 + v-V v2 - 4 6 + 3v + ^v2 - 4
2 + u -V u 2 - 4
2yt x s lukbo
B-#^4 2 + c + 4 c2 - 4
V-#^4 2 + v + l/v2 - 4
4 + v-Vv2 -4 6 + 3v + 4v2 - 4
4 + v + Uv2 - 4 6 + 3v-4v2 -4
gdje (/1 i /11), (/2 i /21), (/3 i /31), (/4 i /41) - niskofrekventne i visokofrekventne granice su zabranjene
ny zona s brojevima (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4), redom; c je brzina svjetlosti; P= - + -;
m = 0,1,2,.... Zazorni pojas izračunava se kao A/ = /-/x; središte pojasnog razmaka
, / + /x. d /sz = ^ ; /pz - središte dopuštene zone.
Za FC s parametrima nx = 2,9; n2 = 1,445; ex = 540 um; e2 = 541,87 μm za drugi zabranjeni pojas u rasponu 0,1-1 THz, imamo
/2 = 0,116 THz; /2x = 0,14 THz; A/ = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.
Za fotonski kristal čije su optičke duljine povezane jednakošću nxx = 3n2d2 dobivaju se sljedeće formule za parametre vrpčne strukture:
1 -0,5ß + ^/2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß-^/ 2,25ß2-ß-7
1 -0,5ß-^2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + V 2,25ß2-ß-7
1 -0,5ß-J2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + yl2,25ß2 - ß - 7
1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7
gdje su (/1 i /11), (/2 i /2), (/3 i /) niskofrekventni i visokofrekventni zazori pojasa s
brojevi (3m+1), (3m+2), (3m+3), redom; c je brzina svjetlosti; p = - + -; t = 0,1,2,....šir
zabranjeni pojas izračunava se kao D/ = / - /1; središte pojasnog razmaka /zz =
dopuštena zona.
Za osobno računalo s parametrima n1 = 2,9; n2 = 1,445; = 540 um; d2 = 361,24 μm za drugi zabranjeni pojas u rasponu 0,1-1 THz, imamo
/2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D/ = 0,0308 THz; /zz = 0,1437 THz.
Za simulaciju PC-a konačne duljine potrebno je koristiti metodu prijenosnih matrica, koja vam omogućuje izračunavanje vrijednosti elektromagnetskog polja vala koji prolazi kroz fotonski kristal u proizvoljnoj točki 2. sloja. Prijenosna matrica za jedan sloj je sljedeća:
cos(k0 x n x p x sin(k0
: z x cos 0) x n x z x cos 0)
(-i / p) x sin(k0 x n x z x cos 0)
gdje je k0 = -; p = - cos 0; n = ; z - koordinata na osi Oz; 0 - kut upada vala na prvi sloj.
Metodom prijenosnih matrica, u matematičkom paketu MATLAB, konstruirana je tračna struktura fotonskog kristala za optičke duljine slojeva u dvoslojnoj ćeliji 1., 2. i 3. višestrukosti) u THz frekvencijskom području. (za 0=0) s 10 jediničnih ćelija s gore navedenim parametrima sloja (slika 3).
Kao što se može vidjeti sa sl. Kao što je prikazano na slici 3, u prijenosnom spektru PC-a 1., 2. i 3. višestrukosti, postoje praznine pojasa koje su višestruke od dva, tri, odnosno četiri, u usporedbi sa strukturom pojasa PC-a s ne-višestrukim optičkim duljinama slojeva unutar jedinične ćelije. Za sva tri slučaja višestrukosti, relativna pogreška u izračunavanju parametara vrpčne strukture konačnog PC-a ne prelazi 1% u usporedbi s formulama za beskonačni PC (razmak između pojasa izračunat je na razini od 0,5 propusnosti za konačni PC).
Također, izračunata je struktura jednodimenzionalnog osobnog računala metodom konačnih razlika u vremenskoj domeni korištenjem softverskog paketa za trodimenzionalno modeliranje CST Microwave Studio (slika 4). Može se vidjeti isto ponašanje vrpčne strukture konačnog PC-a kao i za transmisijske spektre dobivene metodom prijenosne matrice. Relativna pogreška u izračunu parametara vrpčne strukture konačnog PC-a u ovom simulacijskom paketu ne prelazi 3% u usporedbi s formulama za beskonačno PC.
Tszh.M.
pShshShSh) sschm
pxx=3n2ë2 Frekvencija / THz
Riža. Slika 3. Struktura pojasa fotonskog kristala za tri višestrukosti, optičke duljine slojeva u dvoslojnoj ćeliji u frekvencijskom području THz (brojevi označavaju broj zabranjenog pojasa, strelice označavaju padajući izbornik
zabranjena područja)
Ja-e-e t o
pyoh \u003d 2p2ë2 -DA / ut1
pxx=3n2ë2 Frekvencija, THz
Riža. Slika 4. Trodimenzionalni model PC-a u MA (a) i propusnost PC-a za tri višestrukosti (b)
eksperimentalni dio
Slučaj 2. multipliciteta eksperimentalno je verificiran metodom kontinuirane THz spektroskopije u području 0,1-1 THz. Za generiranje THz zračenja korištena je metoda miješanja frekvencija infracrvenog zračenja na fotovodljivoj (FC) anteni. Druga FP antena korištena je kao prijemnik. Između odašiljačke i prijemne PC antene postavljeno je sastavljeno računalo (slika 5).
Istraživani fotonski kristal ima sljedeće parametre: broj dvoslojnih ćelija -3; indeksi loma slojeva - nx = 2,9 i n2 = 1,445; debljine slojeva - eh = 540 μm i e2 = 520 μm (e2 je 21 μm manji nego za slučaj idealne 2. višestrukosti). Na sl. Slika 5 prikazuje usporedbu eksperimentalnog i teorijskog spektra za 4 i 5 propusnih pojasa. Kao što se može vidjeti iz eksperimentalnog grafikona, kao i za simulaciju, opažen je razmak pojasa koji je višekratnik tri u usporedbi s strukturom pojasa PC-a s ne-višestrukim optičkim duljinama slojeva unutar jedinične ćelije. Mala razlika između položaja centara zabranjenih zona u eksperimentalnoj i teoretskoj
tic spektra je zbog razlike u debljini teflonskih slojeva u eksperimentu od idealne 2. višestrukosti.
1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3
0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Frekvencija, THz
Eksperiment
Modeliranje
Riža. Slika 5. Fotografija postava, fotografija modela fotonskog kristala (a) i usporedni grafikon eksperimentalne i teorijske propusnosti fotonskog kristala s tri elementarna
ćelije (b)
Zaključak
Tako su dobivene točne formule za izračun parametara vrpčne strukture (razmak između pojaseva, granice zazora i centar zazora) jednodimenzionalnih fotonskih kristala s višestrukim duljinama optičkog sloja unutar dvoslojne jedinične ćelije za slučaj TE vala s valnim vektorom okomitim na ravnine fotonskih slojeva.kristal. Pokazano je za fotonski kristal 1., 2. i 3. multipliciteta nestanak praznih pojaseva, višekratnik dva, tri, četiri, redom, u usporedbi s vrpčnom strukturom fotonskih kristala s ne-višestrukim optičkim duljinama slojeva. unutar jedinične ćelije. Formule za 1., 2. i 3. višestrukost testirane su metodom prijenosne matrice i 3D numeričkim simulacijama konačnih razlika u vremenskoj domeni. Slučaj 2. višestrukosti je eksperimentalno provjeren u THz frekvencijskom području od 0,1 do 1 THz. Dobivene formule mogu se koristiti za razvoj širokopojasnih filtara temeljenih na fotonskim kristalima za industrijske, vojne i medicinske primjene bez potrebe za modeliranjem vrpčne strukture fotonskog kristala u različitim matematičkim paketima.
Rad je djelomično podržan grantom br. 14.132.21.1421 u okviru Federalnog ciljnog programa "Znanstveni i znanstveno-pedagoški kadrovi inovativne Rusije" za 2009.-2013.
Književnost
1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamaterijali i njihova primjena u mikrovalnoj tehnici (Prikaz) // Journal of technical physics. - Elektrotehničko sveučilište u St. Petersburgu "LETI". - 2013. - T. 83. - Br. 1. - S. 3-26.
2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Maskirni premaz na bazi spiralnih rezonatora // Znanstveno-tehnički glasnik informacijskih tehnologija, mehanike i optike. - 2012. - Broj 4 (80). -IZ. 28-34 (prikaz, ostalo).
3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Karakteristike metafilmova za frekvencijski raspon teraherca sa skaliranjem geometrijskih parametara // Znanstveno-tehnički glasnik informacijskih tehnologija, mehanike i optike. - 2013. - Broj 1 (83). - S. 55-60.
4. Yablonovitch E. Inhibirana spontana emisija u fizici čvrstog stanja i elektronici // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - Broj 20. - Str. 2059-2062.
5. Figotin A., Kuchment P. Struktura zabranjenog pojasa spektra periodičnih dielektričnih i akustičnih medija. II. Dvodimenzionalni fotonski kristali // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - Br. 6. - P. 1561-1620.
6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Optička mikroskopija super rezolucije temeljena na fotonskim kristalnim materijalima // Physical Review B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.
7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Fenomen superprizme u fotonskim kristalima // Physical Review B. - 1998. - V. 58. - Br. 16. - P. 10096-10099.
8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Različite konfiguracije biosenzora fotonskih kristala temeljene na modovima optičke površine // Zavod za elektrotehniku i elektroniku. - 2012. - V. 165. - Broj 1. - Str. 68-75.
9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. i Ho K.M. Mikrostrojni fotonski kristali s milimetarskim valovima // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - Broj 16. - Str. 2059-2061.
10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Dvodimenzionalni metalni fotonski kristal u THz području // Opt. komun. - 1999. - V. 166. - Broj 9. - S. 9-13.
11. Nusinsky Inna i Hardy Amos A. Analiza razmaka jednodimenzionalnih fotonskih kristala i uvjeti za zatvaranje procjepa // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.
12. Bass F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Visokofrekventna svojstva poluvodiča sa superrešetkama. - M.: Znanost. CH. izd. fiz.-matem. lit., 1989. - 288 str.
13. Born M., Wolf E. Osnove optike. - M.: Znanost. CH. izd. fiz.-matem. lit., 1973. - 733 str.
14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Terahercni sustav kontinuiranog vala s dinamičkim rasponom od 60 dB // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - Str. 204104.
Denisultanov Alaudi Khozhbaudievich
Hodzicki Mihail Konstantinovič
St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, student, [e-mail zaštićen]
Sankt Peterburg, Nacionalno istraživačko sveučilište informacijskih tehnologija, mehanike i optike, kandidat fizičke i matematičke znanosti. znanosti, asistent, [e-mail zaštićen]
) — materijal čiju strukturu karakterizira periodična promjena indeksa loma u 1, 2 ili 3 prostorna smjera.
Opis
Posebnost fotonskih kristala (PC) je prisutnost prostorno periodične promjene indeksa loma. Ovisno o broju prostornih pravaca duž kojih se indeks loma periodički mijenja, fotonski kristali se nazivaju jednodimenzionalni, dvodimenzionalni i trodimenzionalni ili skraćeno 1D PC, 2D PC i 3D PC (D - od engleske dimenzije). , odnosno. Konvencionalno, struktura 2D računala i 3D računala prikazana je na sl.
Najupečatljivija značajka fotonskih kristala je postojanje u 3D PC-u s dovoljno velikim kontrastom u indeksima loma komponenata određenih spektralnih područja, koji se nazivaju totalni fotonski razmak (PBG): postojanje zračenja s fotonskom energijom koja pripada PBG u takvim kristalima je nemoguć. Konkretno, zračenje čiji spektar pripada PBG-u ne prodire u PC izvana, ne može postojati u njemu i potpuno se reflektira od granice. Zabrana se krši samo ako postoje strukturni nedostaci ili ako je veličina osobnog računala ograničena. U ovom slučaju, namjenski stvoreni linearni defekti su s malim gubicima savijanja (do mikronskih polumjera zakrivljenosti), točkasti defekti su minijaturni rezonatori. Praktična implementacija potencijalnih mogućnosti 3D PC-a temeljenih na širokim mogućnostima upravljanja karakteristikama svjetlosnih (fotonskih) zraka tek počinje. Ono je otežano nedostatkom učinkovitih metoda za izradu visokokvalitetnih 3D računala, metoda za ciljano formiranje lokalnih nehomogenosti, linearnih i točkastih defekata u njima, kao i metoda za povezivanje s drugim fotonskim i elektroničkim uređajima.
Značajno veći napredak postignut je u praktičnoj primjeni 2D računala, koja se u pravilu koriste u obliku planarnih (filmskih) fotonskih kristala ili u obliku (PCF) (vidi detalje u relevantnim člancima).
PCF su dvodimenzionalna struktura s defektom u središnjem dijelu, izduženom u okomitom smjeru. Budući da su fundamentalno nova vrsta optičkih vlakana, PCF-ovi pružaju mogućnosti za prijenos svjetlosnih valova i kontrolu svjetlosnih signala koji su nedostupni drugim vrstama.
Jednodimenzionalni PC (1D PC) su višeslojna struktura izmjeničnih slojeva s različitim indeksima loma. U klasičnoj optici, davno prije pojave pojma "fotonski kristal", bilo je dobro poznato da se u takvim periodičkim strukturama priroda širenja svjetlosnih valova značajno mijenja zbog pojava interferencije i difrakcije. Na primjer, višeslojne reflektirajuće prevlake dugo su naširoko korištene za proizvodnju ogledala i filmskih interferencijskih filtara, te volumetrijskih Braggovih rešetki kao spektralnih selektora i filtara. Nakon što je pojam PC postao naširoko korišten, takvi slojeviti mediji, u kojima se indeks loma povremeno mijenja u jednom smjeru, počeli su se pripisivati klasi jednodimenzionalnih fotonskih kristala. S okomitim upadom svjetlosti, spektralna ovisnost koeficijenta refleksije od višeslojnih premaza je takozvana "Braggova tablica" - na određenim valnim duljinama, koeficijent refleksije brzo se približava jedinici s povećanjem broja slojeva. Svjetlosni valovi koji padaju u spektralno područje prikazano na sl. b strelica, gotovo se potpuno odbijaju od periodične strukture. Prema terminologiji FK, ovaj raspon valnih duljina i odgovarajući raspon energija fotona (ili energetski pojas) zabranjeni su za svjetlosne valove koji se šire okomito na slojeve.
Potencijal za praktičnu primjenu osobnih računala je ogroman zbog jedinstvenih mogućnosti upravljanja fotonima i još uvijek nije u potpunosti istražen. Nema sumnje da će u nadolazećim godinama biti predloženi novi uređaji i strukturni elementi, vjerojatno bitno drugačiji od onih koji se danas koriste ili razvijaju.
Ogromni izgledi za korištenje računala u fotonici ostvareni su nakon objave članka E. Yablonovicha, u kojem je predloženo korištenje računala s punim PBG-om za kontrolu spektra spontane emisije.
Među fotonskim uređajima koji se mogu očekivati u bliskoj budućnosti su sljedeći:
- ultra-mali FK laseri niskog praga;
- supersvijetla računala s kontroliranim spektrom emisije;
- subminijaturni FK valovod s mikronskim radijusom savijanja;
- fotonski integrirani krugovi s visokim stupnjem integracije temeljeni na planarnim računalima;
- minijaturni FK spektralni filtri, uključujući one podesive;
- FK uređaji optičke memorije s izravnim pristupom;
- FK uređaji za obradu optičkih signala;
- sredstvo za isporuku laserskog zračenja velike snage temeljeno na PCF sa šupljom jezgrom.
Najprimamljivija, ali i najteža izvediva primjena trodimenzionalnih računala je stvaranje supervelikih volumetrijski integriranih kompleksa fotoničkih i elektroničkih uređaja za obradu informacija.
Druge potencijalne upotrebe 3D fotonskih kristala uključuju proizvodnju nakita na bazi umjetnog opala.
Fotonski kristali se također nalaze u prirodi, dajući dodatne nijanse boja svijetu oko nas. Tako sedefasta prevlaka školjaka mekušaca, poput haliotisa, ima 1D FC strukturu, antene morskog miša i čekinje mnogočetinjača su 2D FC, a prirodni poludragi opali i krila afričke lastine repice. leptiri (Papilio ulysses) su prirodni trodimenzionalni fotonski kristali.
Ilustracije
|
a– struktura dvodimenzionalnog (gore) i trodimenzionalnog (dolje) PC-a; b je zabranjeni pojas jednodimenzionalnog PC-a formiranog od GaAs/AlxOy slojeva četvrtine valne duljine (propusni pojas je prikazan strelicom); u je invertirani nikal FC, dobiven od strane osoblja FNM Moskovskog državnog sveučilišta. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky i A.A. Eliseev |
2
Uvod Od davnina, osoba koja je pronašla fotonski kristal bila je fascinirana posebnom iridescentnom igrom svjetla u njemu. Utvrđeno je da su iridescentni preljevi ljuski i perja raznih životinja i insekata posljedica postojanja nadgradnja na njima, koje su zbog svojih reflektirajućih svojstava dobile naziv fotonski kristali. Fotonske kristale nalazimo u prirodi u/na: mineralima (kalcit, labradorit, opal); na krilima leptira; ljuske buba; oči nekih insekata; alge; riblje ljuske; paunovo perje. 3
Fotonski kristali Ovo je materijal čiju strukturu karakterizira periodična promjena indeksa loma u prostornim smjerovima. Fotonski kristal na bazi aluminijevog oksida. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH I COSTAS M. SOUKOULIS “Izravno lasersko pisanje trodimenzionalnih fotonskih kristalnih predložaka za telekomunikacije”// Materijali prirode Vol. 3, str
Malo povijesti... 1887. Rayleigh je prvi istraživao širenje elektromagnetskih valova u periodičkim strukturama, što je analogno jednodimenzionalnim fotonskim kristalima Fotonički kristali - termin je uveden kasnih 1980-ih. za označavanje optičkog analoga poluvodiča. To su umjetni kristali napravljeni od prozirnog dielektrika u kojem su uređene zračne "rupe". 5
Fotonski kristali - budućnost svjetske energije Visokotemperaturni fotonski kristali mogu djelovati ne samo kao izvor energije, već i kao izuzetno kvalitetni detektori (energetski, kemijski) i senzori. Fotonski kristali koje su stvorili znanstvenici iz Massachusettsa temelje se na volframu i tantalu. Ovaj spoj može zadovoljavajuće djelovati na vrlo visokim temperaturama. Do ˚S. Da bi fotonski kristal počeo pretvarati jednu vrstu energije u drugu, pogodnu za korištenje, dovoljan je bilo koji izvor (toplinska, radio emisija, jako zračenje, sunčeva svjetlost itd.). 6
7
Zakon disperzije elektromagnetskih valova u fotonskom kristalu (dijagram proširenih zona). Desna strana pokazuje za dati smjer u kristalu odnos između frekvencije? i vrijednosti ReQ (pune krivulje) i ImQ (isprekidana krivulja u zoni zaustavljanja omega -
Teorija fotonskog jaza Tek je 1987. Eli Yablonovitch iz Bell Communications Researcha (sada profesor na UCLA) predstavio pojam elektromagnetskog jaza. Proširiti horizonte: Predavanje Elija Yablonovitcha yablonovitch-uc-berkeley/view Predavanje Johna Pendryja john-pendry-imperial-college/view 9
U prirodi se nalaze i fotonski kristali: na krilima afričkih leptira lastin rep, sedefna prevlaka ljuštura mekušaca, poput galiotisa, šteka morskog miša i čekinja mnogočetinjača. Fotografija narukvice od opala. Opal je prirodni fotonski kristal. Zovu ga "kamen varljivih nada" 10
11
Nema zagrijavanja i fotokemijskog uništavanja pigmentnog premaza" title="(!LANG: Prednosti filtara na bazi FA u odnosu na apsorpcijski mehanizam (apsorbirajući mehanizam) za žive organizme: Interferencijsko bojanje ne zahtijeva apsorpciju i rasipanje svjetlosne energije, => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentne prevlake" class="link_thumb"> 12 !} Prednosti filtara na bazi FA u odnosu na apsorpcijski mehanizam (apsorbirajući mehanizam) za žive organizme: Interferencijsko bojanje ne zahtijeva apsorpciju i disipaciju svjetlosne energije, => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentne prevlake. Leptiri koji žive u vrućim klimama imaju šarenu šaru krila, a utvrđeno je da struktura fotonskog kristala na površini smanjuje apsorpciju svjetlosti, a time i zagrijavanje krila. Morski miš već dugo koristi fotonske kristale. 12 nema zagrijavanja i fotokemijskog uništavanja pigmentne prevlake "> nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentne prevlake. Leptiri koji žive u vrućoj klimi imaju prelijepi uzorak krila, a struktura fotonskog kristala na površini, kako se pokazalo, smanjuje apsorpcija svjetlosti i posljedično zagrijavanje krila. Morski miš već dugo koristi fotonske kristale u praksi. , => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmenta"> title="Prednosti filtara na bazi FA u odnosu na apsorpcijski mehanizam (apsorbirajući mehanizam) za žive organizme: Interferencijsko bojanje ne zahtijeva apsorpciju i disipaciju svjetlosne energije, => nema zagrijavanja i fotokemijskog razaranja pigmentne prevlake"> !}
Šarenički leptir Morpho didius i mikrograf njegovog krila kao primjer difraktivne biološke mikrostrukture. Prelivajući prirodni opal (poludragi kamen) i slika njegove mikrostrukture koja se sastoji od zbijeno zbijenih kuglica silicijeva dioksida. 13
Klasifikacija fotonskih kristala 1. Jednodimenzionalni. U kojem se indeks loma periodički mijenja u jednom prostornom smjeru kao što je prikazano na slici. Na ovoj slici simbol Λ označava period promjene indeksa loma i indeksa loma dva materijala (ali općenito može biti prisutan bilo koji broj materijala). Takvi fotonski kristali sastoje se od slojeva različitih materijala međusobno paralelnih s različitim indeksima loma i mogu pokazivati svoja svojstva u jednom prostornom smjeru okomitom na slojeve. četrnaest
2. Dvodimenzionalni. U kojem se indeks loma periodički mijenja u dva prostorna smjera kao što je prikazano na slici. Na ovoj slici, fotonski kristal je stvoren od pravokutnih područja s indeksom loma n1, koja se nalaze u mediju s indeksom loma n2. U ovom slučaju, područja s indeksom loma n1 raspoređena su u dvodimenzionalnu kubičnu rešetku. Takvi fotonski kristali mogu pokazivati svoja svojstva u dva prostorna smjera, a oblik područja s indeksom loma n1 nije ograničen na pravokutnike, kao na slici, već može biti bilo koji (krugovi, elipse, proizvoljni itd.). Kristalna rešetka u kojoj su poredana ta područja također može biti različita, a ne samo kubična, kao na slici. petnaest
3. Trodimenzionalni. U kojem se indeks loma periodički mijenja u tri prostorna smjera. Takvi fotonski kristali mogu pokazivati svoja svojstva u tri prostorna smjera, a mogu se prikazati kao niz volumetrijskih područja (sfere, kocke, itd.) poredanih u trodimenzionalnoj kristalnoj rešetki. 16
Primjene fotonskih kristala Prva primjena je odvajanje spektralnih kanala. U mnogim slučajevima, ne jedan, već nekoliko svjetlosnih signala putuje duž optičkog vlakna. Ponekad ih je potrebno razvrstati - poslati svaku posebnom stazom. Na primjer - optički telefonski kabel, preko kojeg postoji nekoliko razgovora u isto vrijeme na različitim valnim duljinama. Fotonski kristal idealan je alat za "izrezbaranje" željene valne duljine iz struje i njeno usmjeravanje tamo gdje je potrebna. Drugi je križ za svjetlosne tokove. Takav uređaj, koji štiti svjetlosne kanale od međusobnog utjecaja kada se fizički križaju, apsolutno je neophodan pri stvaranju laganog računala i laganih računalnih čipova. 17
Fotonski kristal u telekomunikacijama Nije prošlo toliko godina od početka prvih razvoja kako je investitorima postalo jasno da su fotonski kristali optički materijali fundamentalno novog tipa i da imaju svijetlu budućnost. Izlaz razvoja fotonskih kristala optičkog raspona na razinu komercijalne primjene najvjerojatnije će se dogoditi u području telekomunikacija. osamnaest
21
Prednosti i nedostaci litografskih i holografskih metoda za dobivanje FC Prednosti: visoka kvaliteta oblikovane strukture. Velika brzina proizvodnje Jednostavnost masovne proizvodnje Nedostaci Potrebna skupa oprema Moguće pogoršanje oštrine rubova Poteškoće u izradi postavki 22
Krupni plan na dnu pokazuje preostalu hrapavost reda veličine 10 nm. Ista hrapavost vidljiva je i na našim šablonama SU-8 izrađenim holografskom litografijom. Ovo jasno pokazuje da ta hrapavost nije povezana s procesom izrade, već prije s konačnom rezolucijom fotootpornog materijala. 24
Za pomicanje osnovnih valnih duljina PBG-a u telekomunikacijskom načinu rada s 1,5 µm i 1,3 µm, potrebno je imati udaljenost reda veličine 1 µm ili manje u ravnini šipki. Proizvedeni uzorci imaju problem: šipke počinju dolaziti u dodir jedna s drugom, što dovodi do neželjenog velikog punjenja frakcije. Rješenje: Smanjenje promjera šipke, a time i punjenje frakcije, jetkanjem u kisikovoj plazmi 26
Optička svojstva PC-a Zbog periodičnosti medija, širenje zračenja unutar fotonskog kristala postaje slično kretanju elektrona unutar običnog kristala pod djelovanjem periodičkog potencijala. Pod određenim uvjetima stvaraju se praznine u vrpčnoj strukturi osobnog računala, slično zabranjenim elektroničkim vrpcama u prirodnim kristalima. 27
Dvodimenzionalni periodički fotonski kristal dobiva se formiranjem periodične strukture vertikalnih dielektričnih šipki postavljenih u obliku kvadratnog gnijezda na podlogu od silicij dioksida. Postavljanjem "defekata" u fotonski kristal, moguće je stvoriti valovode koji, savijeni pod bilo kojim kutom, daju 100% prijenos. Dvodimenzionalne fotonske strukture s razmakom pojasa 28
Nova metoda za dobivanje strukture s polarizacijski osjetljivim fotonskim zazorom. Razvoj pristupa kombiniranju strukture fotonskog zazora s drugim optičkim i optoelektroničkim uređajima. Promatranje granica kratkovalnog i dugovalnog pojasa. Cilj iskustva je: 29
Glavni čimbenici koji određuju svojstva strukture zazora fotonskog pojasa (PBG) su lomni kontrast, udio visokih i niskih indeksa materijala u rešetki i raspored elemenata rešetke. Konfiguracija korištenog valovoda usporediva je s onom poluvodičkog lasera. Niz je vrlo male (100 nm u promjeru) rupe urezane na jezgri valovoda, tvoreći heksagonalnu rešetku 30
Slika 2a Skica rešetke i Brillouinove zone koja ilustrira smjerove simetrije u vodoravnoj zbijenoj rešetki. b, c Mjerenje prijenosnih karakteristika na 19-nm fotonskoj rešetki. 31 Brillouinove zone sa simetričnim pravcima
Slika 4. Fotografije električnog polja profila putujućih valova koji odgovaraju pojasu 1 (a) i pojasu 2 (b), blizu K točke za TM polarizaciju. U a, polje ima istu reflektivnu simetriju u odnosu na ravninu y-z kao ravni val, tako da bi trebalo lako djelovati u interakciji s nadolazećim ravnim valom. Nasuprot tome, u b polje je asimetrično, što ne dopušta pojavu ove interakcije. 33
Zaključci: PBG strukture se mogu koristiti kao zrcala i elementi za izravnu kontrolu emisije u poluvodičkim laserima. Demonstracija PBG koncepata u geometriji valovoda omogućit će realizaciju vrlo kompaktnih optičkih elemenata. da će biti moguće koristiti nelinearne efekte 34
U posljednjem desetljeću razvoj mikroelektronike je usporen, budući da su granice brzine standardnih poluvodičkih elemenata već praktički dostignute. Sve veći broj studija posvećen je razvoju područja alternativnih poluvodičkoj elektronici - to su spintronika, mikroelektronika sa supravodljivim elementima, fotonika i neka druga.
Novi princip prijenosa i obrade informacija korištenjem svjetlosnog signala, umjesto električnog signala, može ubrzati početak nove faze u informacijskom dobu.
Od jednostavnih kristala do fotoničkih
Osnova elektroničkih uređaja budućnosti mogu biti fotonski kristali - to su sintetski uređeni materijali u kojima se dielektrična konstanta periodički mijenja unutar strukture. U kristalnoj rešetki tradicionalnog poluvodiča pravilnost, periodičnost rasporeda atoma dovodi do stvaranja takozvane vrpčne energetske strukture - s dopuštenim i zabranjenim zonama. Elektron čija energija pada u dopušteni pojas može se kretati kroz kristal, dok je elektron s energijom u zabranjenom pojasu "zaključan".
Po analogiji s običnim kristalom, nastala je ideja o fotonskom kristalu. U njemu periodičnost permitivnosti uzrokuje pojavu fotonskih zona, posebno zabranjene zone, unutar koje je širenje svjetlosti određene valne duljine potisnuto. To jest, budući da su transparentni za široki spektar elektromagnetskog zračenja, fotonski kristali ne propuštaju svjetlost s odabranom valnom duljinom (jednakom dvostrukom periodu strukture duž duljine optičkog puta).
Fotonski kristali mogu imati različite dimenzije. Jednodimenzionalni (1D) kristali su višeslojna struktura izmjeničnih slojeva s različitim indeksima loma. Dvodimenzionalni fotonski kristali (2D) mogu se prikazati kao periodična struktura štapića s različitim permitivnostima. Prvi sintetski prototipovi fotonskih kristala bili su trodimenzionalni, a ranih 1990-ih izradilo ih je osoblje istraživačkog centra Bell Labs(SAD). Kako bi dobili periodičnu rešetku u dielektričnom materijalu, američki su znanstvenici izbušili cilindrične rupe na takav način da su dobili trodimenzionalnu mrežu šupljina. Kako bi materijal postao fotonski kristal, njegova permitivnost je modulirana s periodom od 1 centimetra u sve tri dimenzije.
Prirodni analozi fotonskih kristala su sedefaste prevlake školjki (1D), antene morskog miša, mnogočetinjača (2D), krila afričkog leptira jedrenjaka i poludrago kamenje, poput opala (3D).
Ali čak i danas, čak i uz pomoć najsuvremenijih i najskupljih metoda elektronske litografije i anizotropnog ionskog jetkanja, teško je proizvesti trodimenzionalne fotonske kristale bez defekata debljine veće od 10 strukturnih ćelija.
Fotonski bi kristali trebali naći široku primjenu u fotoničkim integriranim tehnologijama, koje će u budućnosti zamijeniti električne integrirane sklopove u računalima. Kada se informacije prenose pomoću fotona umjesto elektrona, potrošnja energije će se oštro smanjiti, frekvencije takta i brzine prijenosa informacija će se povećati.
Fotonski kristal titan oksida
Titanijev oksid TiO 2 ima niz jedinstvenih karakteristika kao što su visoki indeks loma, kemijska stabilnost i niska toksičnost, što ga čini materijalom koji najviše obećava za stvaranje jednodimenzionalnih fotonskih kristala. Ako uzmemo u obzir fotonske kristale za solarne ćelije, onda titanov oksid ovdje pobjeđuje zbog svojih poluvodičkih svojstava. Prethodno je dokazano povećanje učinkovitosti solarnih ćelija korištenjem poluvodičkog sloja s periodičnom fotonskom kristalnom strukturom, uključujući fotonske kristale titanijevog oksida.
No do sada je uporaba fotonskih kristala temeljenih na titanijevom dioksidu ograničena nedostatkom reproducibilne i jeftine tehnologije za njihovo stvaranje.
Nina Sapoletova, Sergei Kushnir i Kirill Napolsky, članovi Fakulteta kemije i Fakulteta znanosti o materijalima Moskovskog državnog sveučilišta, poboljšali su sintezu jednodimenzionalnih fotonskih kristala temeljenih na poroznim filmovima titanijevog oksida.
"Anodizacija (elektrokemijska oksidacija) ventilskih metala, uključujući aluminij i titan, učinkovita je metoda za dobivanje poroznih oksidnih filmova s kanalima nanometarske veličine", objasnio je Kirill Napolsky, voditelj grupe za elektrokemijsko nanostrukturiranje, kandidat kemijskih znanosti.
Anodizacija se obično provodi u elektrokemijskoj ćeliji s dvije elektrode. Dvije metalne ploče, katoda i anoda, spuštene su u otopinu elektrolita i doveden je električni napon. Na katodi se oslobađa vodik, a na anodi dolazi do elektrokemijske oksidacije metala. Ako se napon primijenjen na ćeliju povremeno mijenja, tada se na anodi formira porozni film s poroznošću određenom debljinom.
Efektivni indeks loma će se modulirati ako se promjer pora povremeno mijenja unutar strukture. Ranije razvijene tehnike anodizacije titana nisu dopuštale dobivanje materijala s visokim stupnjem periodičnosti strukture. Kemičari s Moskovskog državnog sveučilišta razvili su novu metodu eloksiranja metala s modulacijom napona ovisno o naboju eloksiranja, što omogućuje stvaranje poroznih anodnih metalnih oksida s visokom točnošću. Mogućnosti nove tehnike demonstrirali su kemičari na primjeru jednodimenzionalnih fotonskih kristala iz anodnog titanijevog oksida.
Kao rezultat promjene anodizirajućeg napona prema sinusoidnom zakonu u rasponu od 40-60 volti, znanstvenici su dobili nanocijevi od anodnog titanijevog oksida s konstantnim vanjskim promjerom i povremeno promjenjivim unutarnjim promjerom (vidi sliku).
„Ranije korištene metode anodizacije nisu dopuštale dobivanje materijala s visokim stupnjem periodičnosti strukture. Razvili smo novu metodologiju čija je ključna komponenta in situ(neposredno tijekom sinteze) mjerenje anodizirajućeg naboja, što omogućuje kontrolu s visokom točnošću debljine slojeva s različitom poroznošću u formiranom oksidnom filmu “, objasnio je jedan od autora rada, kandidat kemijskih znanosti Sergej Kushnir.
Razvijena tehnika pojednostavit će stvaranje novih materijala s moduliranom strukturom na bazi anodnih metalnih oksida. „Uzmemo li u obzir korištenje fotonskih kristala iz anodnog titanovog oksida u solarnim ćelijama kao praktičnu primjenu tehnike, tada ostaje sustavno proučavanje utjecaja strukturnih parametara takvih fotonskih kristala na učinkovitost pretvorbe svjetlosti u solarnim ćelijama. biti provedeno”, precizirao je Sergey Kushnir.
